基于提高數(shù)字無橋PFC拓撲的高性能電源設計性能分析

由于效率要求不斷增長，許多電源制造商開始將注意力轉向無橋功率因數(shù)校正(PFC)拓撲結構。一般而言，無橋PFC可以通過減少線路電流路徑中半導體元器件的數(shù)目來降低傳導損耗。盡管無橋PFC的概念已經提出了許多年，但因其實施難度和控制復雜程度，阻礙了它成為一種主流拓撲。

隨著一些專為電源設計的低成本、高性能數(shù)字控制器上市，越來越多的電源公司開始為PFC設計選用這些新型數(shù)字控制器。相比傳統(tǒng)的模擬控制器，數(shù)字控制器擁有許多優(yōu)勢，例如：可編程配置，非線性控制，較低器件數(shù)目以及最為重要的復雜功能實現(xiàn)能力(模擬方法通常難以實現(xiàn))。

大多數(shù)現(xiàn)今的數(shù)字電源控制器(例如：TI的融合數(shù)字電源控制器UCD30xx)都提供了許多的集成電源控制外設和一個電源管理內核，例如：數(shù)字環(huán)路補償器，快速模數(shù)轉換器(ADC)，具有內置停滯時間的高分辨率數(shù)字脈寬調制器(DPWM)，以及低功耗微控制器等。它們都對無橋PFC等復雜高性能電源設計具有好處。

數(shù)字控制的無橋PFC

在其他無橋PFC拓撲結構中，圖1是一個已被業(yè)界廣泛采用的無橋PFC實例。它具有兩個DC/DC升壓電路，一個由L1、D1和S1組成，另一個則由L2、D2和S2組成。D3和D4為慢恢復二極管。通過參考內部電源地，分別檢測線路(Line)和中性點(Neutral)電壓，測量得到輸入AC電壓。通過對比檢測到的線路和中性點信號，固件便可知道它是一個正半周，還是一個負半周。在一個正半周內，第一個DC/DC升壓電路(L1-S1-D1)有效，并且升壓電流通過二極管D4回到AC中性點；在一個負半周內，第二個DC/DC升壓電路(L2-S2-D2)有效，并且升壓電流二極管通過D3回到AC線。像UCD3020這樣的數(shù)字控制器用于控制這種無橋PFC。

圖1 數(shù)字控制無橋PFC

無橋PFC基本上由兩個相升壓電路組成，但在任何時候都只有一個相有效。對比使用相同功率器件的傳統(tǒng)單相PFC，無橋PFC和單相PFC的開關損耗應該相同。但是，無橋PFC電流在任何時候都只通過一個慢速二極管(正半周為D4，負半周為D3)，而非兩個。因此，效率的提高取決于一個二極管和兩個二極管之間的傳導損耗差異。另外，通過完全開啟非當前的開關可以進一步提高無橋PFC效率。例如：在一個正半周內，在S1通過PWM信號控制的同時，S2可以完全開啟。當流動的電流低于某個值時，MOSFET S2壓降可能低于二極管D4，因此，返回電流部分或者全部流經L1-D1-RL-S2-L2，然后返回AC源。這樣，傳導損耗被降低，電路效率也能夠提高(特別是在輕載情況下)。同樣，在一個負半周內，S2開關時，S1被完全開啟。圖2顯示了S1和S2的控制波形。

圖2 無橋PFC的PWM波形自適應總線電壓和開關頻率控制

傳統(tǒng)上，效率指標在高壓線路和低壓線路上都規(guī)定為滿載?，F(xiàn)在，計算服務器和遠程通信電源等大多數(shù)應用要求，除在滿載時，在10%-50%負載范圍時，效率也應當滿足標準規(guī)范。在大多數(shù)AC/DC應用中，系統(tǒng)具有一個PFC和一個下游DC/DC級，因此，我們將根據(jù)整個系統(tǒng)來測量效率。若想提高輕載時的總系統(tǒng)效率，一種方法是降低PFC輸出電壓和開關頻率。這要求了解負載信息，而這項工作通常通過使用一些額外電路，測量輸出電流來實現(xiàn)。然而，采用數(shù)字控制器，便不再需要這些額外電路。在輸入AC電壓和DC輸出電壓相同時，輸出電流與電壓環(huán)路輸出成正比。因此，如果我們知道電壓環(huán)路的輸出，我們便可以相應地調節(jié)頻率和輸出電壓。使用數(shù)字控制器以后，電壓環(huán)路通過固件來實現(xiàn)。其輸出已知，因此，實現(xiàn)這種特性十分容易，并且成本比使用模擬方法要低得多。

通過變流器實現(xiàn)電流檢測

無橋PFC的難題之一是，如何檢測整流后的AC電流。如前所述，AC返回電流(部分或者全部)可能會流經非當前的開關，而非慢速二極管D3/D4.因此，在接地路徑中，使用分流器來檢測電流的方法(通常在傳統(tǒng)PFC中使用)已不再適用。取而代之的是使用變流器(CT)來檢測，且每相一個(圖1)。這兩個變流器的輸出整流后結合在一起，以產生電流反饋信號。由于在任何時候都只有一個變流器具有整流輸出信號，因此，即使將它們結合在一起，任何時候也都只有一個反饋電流信號。

圖3 連續(xù)導通模式時的檢測電流波形

圖4 非連續(xù)導通模式時的檢測電流波形

如圖3、4所示，由于變流器放置在開關的正上方，因此，它只檢測開關電流(只是電感電流的上升部分)。在數(shù)字控制實現(xiàn)時，在PWM導通時間Ta中間測量該開關電流信號。它是一個瞬時值，在圖3、4中以Isense表示。僅當該